机器人内窥镜主动避障子系统研究.doc

上海大学硕士学位论文机器人内窥镜主动避障子系统研究姓名：张宝军申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：钱晋武20030201上海大学硕士研究生学位论文，“”，”，：上海大学硕士研究生学位论文第一章绪论课题背景随着（微机电系统）技术、计算机技术、通讯技术、新材料技术等多种学科的发展，基于以上多种技术发展起来的机器人技术也迅速发展起来，机器人技术的应用已经从传统的工业领域扩展到多种领域，如医疗、航空、娱乐等领域。医疗机器人技术是目前国内外研究非常活跃，投资较多，也是最具有发展前景的应用领域之一。在年、年和年的国际先进机器人计划（，简称）合作协调会上，医疗机器人成为讨论的热点之一。医疗机器人研究与应用的一个重要方面是无创微创外科手术（）技术，它是利用人体的天生管腔或手术小孔导入医疗器械或医疗机器人以实现对人体进行诊断、治疗、检测和手术等，从而减少手术期间对人体其他完好组织的伤害，缩短康复时间，并减轻患者的生理痛苦和医疗人员进行手术操作时的心理压力【。内窥镜诊疗术是微创外科手术的重要手段，其典型器材是内窥纤维镜和导管等。结肠癌占现代工业国家癌症发病率的第二位，在美国，每年约有，例结肠癌患者，而的结肠癌是由良性息肉发展而来，据统计结肠息肉的发病率约为左右【】【。因此及早的发现及切除息肉是预防和治疗结肠癌的重要措施。然而大多数的结肠息肉并无特殊的症状，诊断主要依靠临床检查。采用内窥镜进行诊疗则是最重要、最精确的诊疗方式。但是，现有的内窥镜在人体结肠检查中仍然存在着许多难以克服的缺陷，它是利用操作人员的外部推力介入到人体检查肠道，由于这种推入方式对操作人员的技术要求较高，很可能由于操作不当或人体结肠本身的病理原因而导致结肠的穿孔，致使医疗事故的发生。因此，有必要研究一种新型的内窥镜，以克服现有内窥镜的不足。内窥镜的发展及其现状内窥镜的发展主要经历了硬性内窥镜，软性内窥镜，电子内窥镜三个阶段。硬性内窥镜的发展开始于年，首次提出内窥镜的设想，他以烛光为光源，通过内窥镜看到人体直肠和子宫内腔：年，研制成另一种硬性内窥镜，通过利用煤油灯的照明的反射光源，可以观察到人体的直肠、膀胱、尿道和子宫等部位。直到爱迪生发明了电灯以后，科学家们才可以用电灯作为内窥镜的光源。年，一种半可曲式内窥镜研制成功，开创了软性内窥镜的新阶段。到本世纪年代，由于光导纤维的出现，内窥镜才成为真正的软性医疗器械产品。从上世纪八十年代初开始，先后在美国，日本和西欧一些国家掀起了电子内窥镜的研究热潮，电子内窥镜的主要特点是采用电荷耦合器件（简称机器人内窥镜主动避障子系统研究）进行图像的采集，它省去了纤维内窥镜的纤维传像束和目镜，直接将图像以电信号的方式传输到图像处理中心，并将其显示在显示屏上。目前电子内窥镜已经在一些大中型医院得到了临床应用。随着内窥镜研究的不断深入，近几年，在日本和欧美一些国家又相继出现了对超声内窥镜、激光内窥镜和三维内窥镜的研究。在众多的内窥镜中，光导纤维内窥镜以其性能的稳定性、使用的方便性、技术的可靠性、装置的小型性以及合理的性能价格比等诸多优势，在医学界得到普遍的应用，仍然是内窥镜市场的主流。结肠检查中存在的问题结肠软性内窥镜（以下简称内窥镜）是一种很重要的胃肠内窥镜，其外型结图结肠纤维镜构如图所示，内窥镜由介入软管、头部偏摆控制手柄、手术控制手柄、水气通道接口、光通道接口、以及成像系统组成，内窥镜前端可以利用外部头部偏摆控制手柄进行手动控制，通过钢丝牵引实现约度范围的俯仰和偏摆【。内窥镜师可以通过目镜或图像显示系统的显示屏观察到从内窥镜中光纤束传出的两维图像。检查过程中，利用两维图像的色差信息和手感来控制内窥镜的插入。现有内窥镜检查是利用操作人员的外部推力介入到人体被检查腔道中的。由于人体肠道环境的特殊性和现有内窥镜检查操作的复杂性，当带有一定柔性的装置在腔道组织上滑行时，对腔道壁面产生压力，有可能对人体内部软组织造成擦伤和拉伤，一旦这个压力超过一定的阈值，还可造成组织破损，导致出血，进而导致穿孔的发生【】。同时由于人体腔道结构比较复杂，以结肠为例，存在多处弯道，仅凭手感要把内窥镜顺利插入到深处并非易事。据统计，经过专业训练、有经验的医务人员把内窥镜插到结肠远端（盲肠部）的概率仅为。鉴于这种情况，内窥镜检查和手术基本上是在技术水平较高的大医院中进行，而且对操作医师的技能要求很高【”，经常需要多个医师配合，一般一例检查为，这种长时间的操作不仅使操作医师产生疲劳，而且加长了病人忍受痛苦的时间。为了能够克服现有内窥镜检查中所存在的上述缺陷，提高内窥镜的智能化、上海大学硕士研究生学位论文，简化对操作医师的技术依赖、减少医疗事故的发生率，同时促进国内医疗装备技术水平的提高，提升国内医疗器械的国际竞争力，因此，有必要采用机器人技术来改造现有的内窥镜。机器人内窥镜国内外研究现状由于医疗机器人的研究和应用前景非常看好，近年来，国内外在医疗机器人方面的研究工作日益蓬勃。随着医疗机器人研究工作的深入和实用化，一些常规的医疗方法和医疗理念被改变，许多原来难以突破的手术禁区被突破。医疗机器人的研究，不仅可以造福于人类，而且具有很高的附加值，具有良好的经济效益。机器人内窥镜的研究只是医疗机器人研究的一个方向，为了克服上文所述的现有内窥镜检查中存在的不足与缺陷，国内外的专家、学者在机器人内窥镜方面做了大量的研究。综合笔者所查阅的资料，目前国内外的研究主要集中在机器人内窥镜机构学与驱动方式、内窥镜形状检测以及机器人传感器方面的研究。机器人内窥镜机构学与驱动技术的研究现状在机器人内窥镜机构技术方面较为典型的是主动内窥镜、主动导管的研究。已有的研究包括采用本体驱动方式的机器人体内蠕动技术、液体动压移动技术、特种驱动技术以及多自由度串联机构技术等。蠕动技术的研究日本东京工业大学根据蚯蚓蠕动原理开发了一种蠕动式微型机器人。整个机器人由三个运动单元组成（每个单元对应于蚯蚓的节），每个单元包括柔性微驱动器（，简称）和四个铰链。采用气压驱动以调整四个铰链的伸缩，使三个单元协调动作，其最大移动速度为，最大牵引力引，运动原理如图所示。这种机器人的主要缺点是牵引力和摩擦力都比较小，再者，由于人体肠道内壁光滑且黏膜上充满液体，很有可能出现滑动现象。一穆甘方向图卜蠕动式微型机器人运动原理意大利研究人员开发了用于结肠检查的携带内窥镜的机器人”。机器人由母体、微型手臂和人机接口组成。母体装配有诊断和手术工具，并提供驱动力，移动方式为蠕动运动。母体由三个模块组成，两个模块起定位和支撑作用，第三个模块起伸缩作用。每个工作循环有个状态。目前研究工作仍停留在移动机构上。协儿自矿一自一机器人内窥镜主动避障子系统研究美国加州理工学院研制的主动内窥检查机器人，尾部拖有线缆（控制信号线、进出气导管和光纤束），本体主要由支撑器和延伸器组成，采用蠕动方式移动【州。伯克利加州大学开发了筋控制的内窥镜操作平台，增加了自由度，并便于手术工具的控制。但是由于其内部安装了电磁阀，体积无法减小。上海交通大学电子信息学院研制成了一种基于仿生学和电磁转换原理的电磁型全方位蠕动机器人【】。该机器人由四节电磁驱动单元组成。单元体采用动圈式结构、由永磁励磁，通过控制动圈中电流的大小和方向来获得不同大小和方向的电磁驱动力，以实现各单元体的伸缩运动。各单元体间采用球铰连接，以增强其机动灵活性。其驱动原理模拟生物体的蠕动爬行动作，即通过各单元体有规律的伸和缩来实现运动的传递，并构成了整个机体的蠕动运动趋势，借助于界面的摩擦力，构成了整个机体向前运动的驱动力，其运动机理如图所示。状态（！卜叫！卜叫！卜叫！状奄（！二卜母（状态：口母口状寿（互叫臣母状态一臣臣田图卜全方位蠕动机器人移动原理图上海大学特种机器人研究室也采用蠕动原理，研制出主动拖动内窥镜的移动及转向机构【”。如图所示。该移动机构由两个支撑模块和一个延伸模块组成。支撑模块为气囊式，延伸模块使用了三个微型气缸，按并联机构的方式安装。支撑模块通过充气膨胀的乳胶气囊吸附于肠腔壁上，实现稳定的吸附。延伸模块利用三个气缸全部伸出或缩进时完成推进的功能，并根据传感器接收到压力传腰嚣图卜蠕动式柔性移动移动机构转向机构图的信息，由控制电路实现一个或两个气缸伸出以及伸长量的不同来完成转向功能，从而使移动机构也具有了转向能力。当两个支撑模块交替运动时，即可实现机器人本体的运动。此外，由于结肠内壁凸凹不平，通过充气膨胀的乳胶气囊可以扩大接触面积，提高了吸附的稳定性。但是由于其前进牵引力来自于支撑模块与肠道内壁挤压产生的摩擦力，因此可能导致人体肠道内壁黏膜的损上海大学硕士研究生学位论文伤。特种驱动技术的研究日本东京大学生物医学工程研究中心提出了应用动压效应原理驱动医用内窥镜在人体腔道内运动的方案，如图所示【”。内窥镜由带有右螺旋槽的圆柱形微电机、带左螺旋槽的圆柱体和柔性联轴器构成。当正向接通微电机电源时，带左螺旋槽的圆柱体正转，带右螺旋槽的微电机外壳反转，但两者产生的轴向粘液摩擦牵引力相同，带动内窥镜前进；当反向接通微电机电源时，内窥镜后退。由于人体肠道内的粘液所产生的动压效应，使得内窥镜处于悬浮状态，避免与人体肠道内壁的接触。国内浙江大学和重庆大学也有类似的研究。由于此机构在旋转时可能会与肠道内壁接触，而带动肠道一起旋转，对人体造成伤害；并且当其旋转形成动压膜时，会对肠道黏膜造成损伤。；三兰妄三三；二心翼霹图卜动压效应驱动机构美国卡内基梅隆大学研究人员研制了一种可变硬度的内窥镜【】，如图所示。这种内窥镜的移动机构由能够在柔性与刚性之间转换的骨架和有一定硬度且能够沿着骨架运动的柔性橡胶套管构成。当骨架处于刚性时，橡胶套管沿着骨架运动；骨架处于柔性时，骨架可沿着橡胶套管运动。每次的移动量要根据结肠的弯曲程度来调整。当骨架为刚性时，内窥镜处于定位状态，通过两根线缆控制导向机构进行观察。与传统内窥镜相比，这种内窥镜仍需操作医师的较高技巧，以保证骨架和橡胶套管之间的协调运动。意。：。，。格总篇蘸肇硇图卜变硬度的内窥镜日本三菱公司基础部研形状记忆合金（）螺旋弹簧式主动内窥镜，它由弯曲部、个弹簧和纤维镜组成，如图所示。弯曲部和弹簧都涂有聚氨酯涂层，并通过牵引线相连。在室温条件下，个螺旋弹簧保持平衡，没有施加于牵引线的力。当螺旋弹簧受热时，相变回复力对牵引线施加以拉力，使弯蓝部弯曲。当螺旋弹簧停止加热，螺旋弹簧受热时，机器人内窥镜主动避障子系统研究迅速使弯曲部伸直。和传统内窥镜相比，采用了形状记忆合金元件取代钢丝进行内窥镜头部的偏摆控制。但是由于形状记忆合金元件散热比较慢，在通电时反应速度较快，而在断电时反应速度较慢，不便于及时的控制内窥镜头部的偏摆。图螺旋弹簧式内窥镜多自由度串联机构技术日本研究人员研制的另一种内窥镜由个相同单元组成，采用蛇行游动原理，如图卜所示】。在移动过程中，第一个单元的姿态依次传给下一个及后续单元，使整个机构阱一种相似的弯曲状态实现避障等功能。这种结构可减小结肠与内窥镜之间的相互作用力，在一定程度上适应复杂的结肠道。中国科学技术大学也有类似研究报道【】。这种结构由于采用了较多的关节，一方面增加了控制的难度，另一方面由于使用了过多的形状记忆合金元件，产生较大的热量，冷却时间大大加长，从而导致响应速度变慢。图卜多单元内窥镜由上述的国内外专家、学者在机器人内窥镜机构学和驱动技术方面的研究现状可知：目前的研究主要集中在改进其介入方式上，试图以一种全新的主动介入式机器人内窥镜取代现有的内窥镜，虽然在原理上可以部分改善现有纤维内窥镜检查的不足，但是，作为医疗机器人的研究，更应该考虑其应用于人体的这一特殊环境，及其未来实用的可行性。人体的肠道有很多的无法预知的三维波褶和弯曲，并且其内壁组织结构复杂，易损伤，因此，对于主动机器人介入人体，安全性、可靠性是一重点考虑的因素。内窥镜形状检测方面在传统的结肠诊疗中，医生并不能了解内窥镜在人体内的形状，只能凭借个人经验来实施检查手术，这样就容易造成结肠镜在体内结襻现象发生，如图卜上海大学硕士研究生学位论文图卜纤维镜在体内缠绕的光照片“”所示。通过改造结肠内窥镜，使之具有检测结肠内窥镜在病人体内的形态的能力，就可以为医生实施检查和治疗提供很大的方便，避免结肠镜在体内结襻现象发生，同时也可以进一步减少进镜和退镜过程中对大肠组织的潜在损伤、减轻病人痛苦。在这一方面，较为典型的是采用磁场定位的方法，也有超声定位以及应变片、光纤传感的方法。磁场定位英国的等人在年提出内窥镜磁场空间定位系统“。如图卜所示，一个变化的磁场能使其中的金属线圈产生电压，该电压值可以精确的描述线圈相对磁场的相对位置信息。三个大的励磁线圈放在病人下面，用以产生低频电磁脉冲，在内窥镜钳道中内置了个传感线圈，每隔一个采样周期进行一次采样，采样数据反映连续磁场的变化，经计算机计算得到每个传感器的空间位置，然后用计算机将这些离散的点拟合成连续的曲线，并在计算机上进行三维显示。图卜三维磁场成像系统超声定位图卜是福州大学所研究的超声定位系统啪。身体内外各放置一个超声传感器，其中体内的为扫描探测器，体外的为位置标志器，且二者为同步的。根据超声定位，确定在探测图像上的位置标志器的相对位置，而体外的探测器的位置则由光学定位系统确定。机器人内窥镜主动避障子系统研究图卜三维超声定位系统图智能内窥镜传感器方向在非医师亲自操作的远端手术中，传感器的使用对于真实地反应操作情况，保证手术安全是非常重要的。智能机器人传感器的研究与应用是提高内窥系统智能程度的必然要求。内窥系统采用的传感器主要有视频传感器、接触传感器、距离传感器、姿态传感器等。对传感器的精度、可靠性、漂移量有较严格的要求。根据目前掌握的资料，研究工作集中在前端接触传感器，主要为了实现前端转向机构的主动避障。视频传感，提供基于图像的主动避障信息。检测导管与肠壁接触情况的压力传感器，提供手术规划信息的空间定位传感器等。每种功能的传感器都可以由不同的原理实现。意大利比萨大学的研究开发了一种自动的关节内窥镜”“。控制前端弯转机构的方式，由直流电机嵌入内镜的操作端，与钢丝绳相连，控制前端的一个自由度，如图卜所示。由安装在中部离前端处霍尔传感器和悬臂梁上的应变片分别测量前端的弯转角度和前端对人体组织的作用力，如图卜所示。该系统并与其他部分组成了计算机辅助关节镜系统的扩张现实系统。图卜关节镜系统图传感器原理图公司年研制出外径为，内径为的内窥导管系统。前端装有个接触微传感器，弯转机构由根细长的（中）驱动，弯转角度可达。（图卜）。该系统可携带（一）进行内窥检查，可望快速进入小脑血管进行医疗诊断。上海大学硕士研究生学位论文，图卜导管系统（弯转机构，微传感器）中国科学院合肥智能机械研究所采用技术对阵列式接触传感器进行了研究。敏感阵列由橡胶覆盖层、传力阵列、敏感单元、保护阵列和基板组成，其图卜敏感阵列结图卜未粘贴橡胶覆盖层的触觉敏感阵列构造如图卜所示，实物如图卜所示。橡胶覆盖层为厚的高弹性橡胶膜，其作用是保护传感器表面、增加磨擦系数并吸收冲击能量。为增加粘贴面积和提高可靠性，将硅橡胶灌充在传力柱之间的间隙中，然后将橡胶覆盖层通过硅橡胶粘贴在传力阵列上方。敏感阵列的个敏感单元以的方式排列，每个单元均能对三个方向的力（法向力和切向力、）敏感。该传感器达到了类皮肤型触觉传感器必须具备的各项功能和特性，即类似人类的触觉敏感功能、柔性的接触表面以及小巧的片状外型。“介入式内窥诊疗机器人关键技术研究”项目简介整个研究系统课题名称为“介入式内窥诊疗机器人关键技术研究”，本文的研究工作得到国家计划（编号：）和国家自然科学基金项目（编号：）等基金项目的资助。综合上节国内外在智能内窥镜方面的研究，虽然在一定程度上可以部分改善现有纤维内窥镜检查的不足，但其没有顾及内窥检查的系统性和复杂性，（如人体的肠道有很多的无法预知的三维波褶和弯曲），很难进行精确的数学建模，由这些技术构成的系统离实际应用尚有很大的距离。而且主动机器人介入人体，安全性也是一个很大的问题。所以本项目拟采用智能控制的介入方式，在人体外用一个辅助介入装置，代替检查医师的手法动作，将内窥镜送入病人体内。同时结合多个传感器的反馈信号来实现主动避障，并且医生可以通过计算机屏幕来实时观测内窥镜在人体内机器人内窥镜主动避障子系统研究的形状以及肠道组织的图像。此外检查医师可以通过人机界面来选择手动、自动的控制方式（见图卜）。本项目主要包括三个子系统：机器人内窥镜辅助介入系统：凭借介入装置和多传感器反馈信号，实现对内窥镜的推进、后退和旋转等自动操作，同时负责检测内窥镜推进距离和旋转角度等信息。机器人内窥镜主动避障系统：借助驱动旋转装置和对内窥镜头部压力传感器的信号检测，实现对内窥镜头部偏摆动作的自动控制。机器人内窥镜曲线形状检测与可视化系统：实时检测内窥镜在人体肠道内的曲线形状，显示于计算机屏幕。同时还包括开发智能内窥镜的人机界面系统。图卜介入式内窥诊疗机器人系统概念图结肠辅助介入装置智能内窥镜前端控制装置检查图像采集传感器水（气、冷光）源下位机信号采集、预处理模块上位机（上位控制、可视化）图形终端及人机界面图像终端医疗人员本课题研究的主要内容本课题主要对“介入式内窥诊疗机器人系统”的“机器人内窥镜主动避障系统”进行了研究，本着对人体肠腔无创、无害、安全、可靠的原则，针对“介入式内窥诊疗机器人系统”研究开发的实际需求，以实现介入式内窥诊疗机器人在介入人体肠腔的过程中。避免机器人头部与人体肠壁的较大顶压而产生人体肠壁的拉伤和穿孔等医疗事故的发生，完成对机器人内窥镜的介入导引，研制出适合人体结肠环境的“机器人内窥镜主动避障子系统”，主要研究内容如下：对人体结肠生理特征，对人体结肠穿孔压力阈值进行调研、实验。上海大学硕士研究生学位论文主动避障执行装置的设计。微小型传感器的研制。传感器采集接口，信息处理与避障控制单元的软、硬件设计。上下位机通讯原理与实现以及下位机通讯的软、硬件和监控界面的设计。小结本章主要对本课题的研究背景以及目前有关该课题的国内外研究现状做了介绍。针对当前有关该课题的研究情况，提出了本文作者进行研究的有关主要内容。机器人内窥镜主动避障子系统研究一第二章肠道环境特性以及压力实验引言本课题所研究的机器人内窥镜，其应用环境为人体的大肠。由于其应用环境的特殊性和复杂性，因此首先有必要对人体大肠的生物医学特性进行研究。人体大肠的组成结构人体大肠属于下消化道的一部分，也是整个消化道的最后一段，由肛管、直横结肠升结肠盲腑鳍晒肠状结肠肠图人体结肠示意图肠、结肠和盲肠四部分组成【】【，如图所示。直肠：直肠全长，远端与肛管相连，在相连处肠腔狭小。整个直肠肠腔较粗，扩张形成直肠壶腹，近端与乙状结肠相连，肠腔周径缩小，并呈现明显弯曲走向。结肠游离带和网膜带集中于结肠前壁，系膜带集中于后壁形成前后壁纵肌较发达。乙状结肠：乙状结肠肠腔管径是整个结肠中最细的，黏膜面有半月襞，但乙状结肠壁的环状肌发达程度较差，所以半月襞较扁，突起较低。降结肠：降结肠形态恒定，有明显的半月襞和结肠带。结肠带在该处呈平行等距离走向，游离带位于前侧，系膜带位于内侧，网膜带位于外侧，将肠腔内半月襞三等份。横结肠：横结肠壁环行肌发达，半月襞较厚，突起明显，结肠带的囊状凹陷深。横结肠的三条结肠带也呈等距离走向，使肠腔内半月襞分成等长的三条，每条占肠腔的三分之一，致使肠腔形成等边三角形。升结肠：升结肠的结肠带与横结肠分布不同，游离带在前缘，系膜带位于内下方，网膜带位于后外侧，管腔比其他部位粗。盲肠：盲肠是大肠的起始部，它的内侧以回盲瓣与回肠末端相连，并在其下方附有阑尾。盲肠全长约，肠腔大，呈圆筒状，前侧呈袋型盲端，系膜带位于内侧，很短，网膜带和游离带长，位于外侧和前侧，跨越盲肠的顶端弯向阑尾根部。因此腔内半月襞形态长短不一，形成“”形或“”形黏膜皱褶。上海大学硕士研究生学位论文大肠的组织构成一般说来，大肠口径较粗，肠壁较薄，除直肠与阑尾外，结肠和盲肠具有三种结构特征，如图所示：一沿着肠的纵轴排列有三条平行的结肠带，这是由肌织膜的纵行肌顺大肠的长轴集中成三条厚的平滑肌束形成的，带间的纵行肌很薄。二结肠带比肠管短，因而使肠管形成许多由横沟隔开的囊状突出部，称为结肠袋。三结肠带附近由于浆膜下脂肪聚集，形成了许多形状、大小各不相同的突起，叫脂肪垂。这三个形态特点可作为辨别结肠的标志。此外，在结肠腔内，相当于结肠袋间横沟处，环行肌增厚。粘膜也向腔内突起，形成许多结肠半月襞。站脑半月嚏图结肠组织构成图大肠属于中空性器官，管壁由四层组织构成口】【】，由内向外有：粘膜、粘膜下组织、肌织膜和外膜四层。粘膜位于最内层。面向管腔，呈淡红色，能分泌粘液，可经常保持湿润状态。粘膜一般由粘膜上皮、粘膜固有层和粘膜肌层组成。粘膜上皮位于最内层，为单层柱状上皮。粘膜固有层位于粘膜上皮的外面，由结缔组织构成，其内含有腺体、血管、神经和淋巴组织。粘膜肌层位于粘膜固有层的外面，由一薄层平滑肌束构成。此层肌肉收缩时，可使粘膜产生局部运动。粘膜下组织位于粘膜层的外面，由疏松结缔组织构成，含有较大的血管、淋巴管、神经和淋巴组织等。此层结构比较疏松，有缓冲和防御作用。肌织膜位于粘膜下组织的外面，为平滑肌。肌纤维的排列一般为内环层和外环层。平滑肌肌层之间有少量结缔组织和肌间神经丛。环层肌、纵层肌交替收缩，可改变器官的形态，使官腔内容物向前推进。外膜覆盖在肌织膜的外面，为最外层，由薄层疏松结缔组织构成，内含血管、淋巴管和神经。在腹腔有腹膜覆盖的部分，其外表面还有一层光滑的间皮（单层扁平上皮），又称浆膜，能分泌少量浆液，经常保持器官外表皮湿润，减少器官之间的摩擦，有利于器官的运动。结肠的生物医学特性通过对以上所述的大肠的组成结构和组织构成进行分析可知，大肠作为机器机器人内窥镜主动避障子系统研究人内窥镜的工作环境，主要具有以下主要特点：整个大肠形状呈现出一个“？”形状，大肠的各段之间连接处存在着较大的转角，尤其是乙状结肠，弯曲转角很大，曲率半径只有】【。内窥镜通过大肠的弯曲部分时，会产生称为“。”环的现象。由于“”环现象，使得传统内窥镜发生扭转和倒转，进一步增大了内窥镜和结肠壁之间的作用力【】。横结肠通过横结肠系膜附于后腹壁，其运动受呼吸过程和内腔中其它运动的控制。结肠这种不停的蠕动，不利于内窥镜的进入，且进入之后，这种运动还可能夹住内窥镜。肠道肠壁较薄，通过现有的内窥镜观察，可以透过肠壁的黏膜，清楚的看到黏膜下层的血管纹理。因此肠道壁可以承受的压力较小，当内窥镜头部挤压肠道壁的力过大时，则很可能导致肠道内壁的损伤。人体肠道肌肉组织属于平滑肌，受交感神经控制，有较大的伸展性“”，表现为大肠在形状和尺度上的可变性。进而导致肠道壁的局部变薄，在一定程度上削弱了肠道的耐压能力。由于结肠带和结肠半月襞的存在，肠道内壁凹凸不平。在内窥镜进镜过程中，容易产生肠道内壁突起部分的拉伤和擦伤。，结肠压力实验由于内窥镜在介入人体肠道时，内窥镜的头部难免要与大肠的内壁产生挤压，而当这种挤压力超过大肠的耐压能力时，人体的大肠壁则可能破损，严重时导致肠道穿孔等医疗事故的发生。传统的内窥镜检查是靠操作医师的经验来控制内窥镜头部的摆动来避免以上事故的产生。为保证机器人内窥镜安全、可靠的介入人体肠道，主动避免内窥镜头部与人体肠道内壁产生的较大压力，为传感器设置以及控制系统提供有效的参数，我们对肠道进行压力实验。在做结肠压力实验时，我们考虑两种方法对结肠进行压力实验。方法一采用液体压力来测量结肠的变形与耐压情况，方法二采用机械式压力来测量结肠的变形与耐压情况，下文分别对这两种方法以及测量所得的数据进行了分析：采用液体压力时大肠变形与耐压的测量实验原理与步骤实验装置如图所示，容器为一的透明容器，容器上标有刻度线，可以通过容器上的刻度线映射大肠直径的变化，容器内装有生理盐水。对于本课题来说，并不需要非常精确的结肠压力值，本实验的目的仅仅是为后续课题的研究提供大致的参考数据，再者采用人体的活体大肠有一定难度，我们以一段猪结肠为实验标本进行实验。一个三通管分别连接猪结肠，压力表和进水管，压力表可以测量旌加在猪结肠的液体压力，通过球型阀门控制手柄可以调节进水上海大学硕士研究生学位论文，管的水压，具体实验过程如下，猎丈肠一一一一一印。兰旺士蔷器图猪大肠液体压力测量装置取猪大肠长删，用盐水洗干净，将大肠的一端用手术线扎紧，另一端系在三通管的一端，通过调节球型阀门控制手柄，控制水的压力分别为，。，对大肠的直径变化进行测量。由于猪的大肠形状及其不规则，各段横截面都不一致，因此，忽略了结肠的轴向伸长，仅选取了某两个截面进行测量，如图猪大肠测量示意图，仅在图和处测量，乍进水口幽猪大肠测量不惹豳其中。和。分别为该两处的基准直径。实验数据分析在对猪大肠标本进行液体充压前、处的初始直径分别为，。、；为液体充压后，结肠直径的变形后的结肠直径（由于猪大肠肠壁较薄，且在不同位置薄厚不一致，因此，以猪大肠的外径的变化替代其中径的变化）则在处，结肠伸长量为：。丌（。，一见）（一）相对变形量为：；，（）其中为截面处的原始周长。同理在处，结肠的伸长量为：，石（。一）（）机器人内窥镜主动避障子系统研究相对变形量为：船：坐（）。风其中。为截面处的原始周长。根据在截面上测量所得的数据以及以上公式（一）和公式（）计算列表如表一（。）：表：截面处的结肠变形数据表序列压强。（）变形量叫（）相对变形叫（）争断裂根据在截面上测量所得的数据以及公式（）和公式（）计算列表如表（）：表：截面处的结肠变形数据表序列压强“（）变形置曲（）相对变形（）】断裂根据以上测量所的数据以及计算的结果，用软件绘制所得曲线，如图所示。由曲线图我们可以看出：在猪结肠的部位相对变形量较大，出现以上现象的原因可以主要是由于，我们在测量猪结肠变形的过程中，只是对猪结肠的径向变形进行测量，忽略上海大学硕士研究生学位论文了猪结肠的轴向变形，由材料力学的知识可以将其简化为类似与如图所示的宝窟口掌旦咧窜日图猪大肠液体压强一相对变形曲线简支粱结构，当对同一梁的不同位置施加相同的力时，梁的变形量由两端向中间部位逐渐增大，如图虚线所示。因此当对大肠施加同样大小的力时，部位处的变形量要比处的变形量大，至于沿着大肠的轴向尺寸变化与径向变形之间的关系，不是本课题所讨论的内容，因此，本文没有对其做深入的研究。图猪大肠受力简图随着压强的增大，曲线成上升趋势，即猪结肠的变形量增大，曲线的斜率逐渐减小，即猪大肠的相对变形的增加率减少。当压力达到时，猪大肠开始发生断裂。采用机械压力时大肠变形与耐压的测量由于人体结肠检查过程中，内窥镜头部与人体结肠内壁的接触是一种机械式的碰撞，因此，在完成了以上在液体压力下的变形实验后，有必要再对结肠进行机械式压力变形实验。实验原理与步骤实验装置如图所示，分别由底座、支撑架、压块组成，将用盐水洗干净的猪大肠，分别取两段，再将已经取得的两段猪大肠沿轴向减开，各取一半，分别进行两次实验，在进行实验时，将用于做实验的猪大肠两头固定在支撑架上，并用压块压紧，如图所示，然后在猪大肠上施加砝码，当猪大肠受到不同重机器人内窥镜主动避障子系统研究量的压力时，将会产生不同程度的变形。图猪结肠压力实验装置实验数据分析：由几何关系，并忽略左端部分褶皱，假设其为直线，可以得到：结肠受压变形后长度：厶（一啊）口（日一曩）（）其中为支撑架的高度，；为结肠受压前后距离底座的距离，由、确定结肠受压的部位，。为结肠受压前后的总长结肠变形量：她厶一（其中、）（）其中。结肠变形量，为结肠末受压时的长度。结肠相对变形量：（）厶取其中一段猪大肠（令其编号为），测量所得基本数据为，初始长度：；对其施加不同质量的砝码，记录相应的猪大肠变形后的值并由公式（）、公式（）和公式（）计算整理后的数据列表如表所示：表号猪大肠受压变形数据表序列载荷彬（）高度反（）总长（）变形量，（）相对变形（）上海大学硕士研究生学位论文】断裂取其中一段猪大肠（令其编号为），测量所得基本数据为，初始长度：；对其施加不同质量的砝码，记录相应的猪大肠变形后的值并由公式（）、公式（）和公式（）计算整理后的数据列表如表所示：表号猪大肠受压变形数据表序列载荷彬（）高度（）总长（）变形量厶（）相对变彤（）断裂由以上两次以不同长度的大肠和在不同位置施加载荷测得的数据得到如图所示的载荷一相对变形曲线图。图载荷一相对变形曲线图机器人内窥镜主动避障子系统研究由以上机械压力实验测量后所得载荷一大肠相对变形曲线图可知：两次测量所产生的结果比较吻合。猪大肠的弹性模量较大，容易产生变形，并随着施加载荷的增大，猪大肠变形增大。曲线的斜率逐渐减小，即猪大肠的相对变形的增加率减少。当载荷施加到力时，大肠开始出现裂痕，并逐渐扩大，直至断裂。综合采用液体压力大肠变形与耐压测量和采用机械压力大肠变形与耐压测量两种方法所获得的结果，由于采用机械压力大肠变形与耐压测量所用砝码其表面积约为，通过压力与压强之间的转换，两种方法所得的结果比较吻合。采用液体压力大肠变形与耐压测量所得的结果稍大于采用机械压力大肠变形与耐压测量所得的结果，产生这一现象的主要原因，是前一种方法所用标本是一整体的大肠，而后一种方法所用的标本是纵向剖过的一半大肠。以上两种方法测量所得的结果若以为接触面积，转换成压力约为力，压强约为），考虑到所用的大肠标本为死猪大肠，相对活体猪大肠，脆性大，易断裂，以（）力作为人体大肠压力阈值的参考数据，有较大的余量，安全性高。该数据与在上海仁济医院所调研的胃病病人在做胃镜检查时感到不舒适的压力数据比较接近。因此，在后续的课题研究中，皆以的压力值作为大肠压力的参考阈值，并根据不同的年龄，不同病理状况，进行适当的调整。小结本章主要对结肠的组成结构、内部组织构成以及生物医学特性做了介绍；根据本课题的需要，采用液体压力大肠变形与耐压测量和采用机械压力大肠变形与耐压测量两种方法对结肠受压变形以及耐压情况做了实验，并通过实验，获得了结肠的参考压力阈值。上海大学硕士研究生学位论文第三章机器人内窥镜